东芝级联共源共栅技术解决GaN应用痛点

黄文源

和传统的硅功率半导体相比，GaN（氮化镓）和SiC（碳化硅）有着更高的电压能力、更快的开关速度、更高的工作温度、更低导通电阻、功率耗散小、能效高等共同的优异的性能，是近几年来新兴的半导体材料。但他们也存在着各自不同的特性，简单来说，GaN

的开关速度比SiC快，SiC工作电压比GaN更高。GaN的寄生参数极小，开关速度极高，比较适合高频应用，例如：电动汽车的DC-DC（直流-直流）转换电路、OBC （车载充电）、低功率开关电源以及蜂窝基站功率放大器、雷达、卫星发射器和通用射频放大器等;SiC MOSFET（金属-氧化物半导体场效应晶体管）的高压高电流的能力以及易驱动特性，使其适合于大功率且高效的各類应用，例如：列车逆变器系统，工业电源、太阳能逆变器和UPS（不间断电源）高性能开关电源等等，可以大大提升效率，功率密度等性能。

东芝作为SiC和GaN产品早期研究开发者者之一，拥有自己独特的SiC和GaN产品技术。今年初，东芝推出了两款全新碳化硅（SiC）MOSFET双模块——MG600Q2YMS3和MG400V2YMS3。这两种新模块在安装方式上兼容广泛使用的硅IGBT模块，低损耗特性满足了工业设备对提高效率、减小尺寸的需求，适合于轨道车辆的逆变器和转换器、可再生能源发电系统、电机控制设备、高频DC-DC转换器等应用场景。在GaN方面，今年1月31日东芝发布了首个集成于半桥（HB）模块的分流式MOS电流传感器。当其用于氮化镓（GaN）功率器件等器件时，该传感器可使电力电子系统具有很高的电流监测精度，但功率损耗不会增加，并有助于减小此类系统和电子设备的尺寸。

全球推行碳中和，需要更高效的电子设备，尤其是小型的系统。然而，由于半桥模块和电流传感器必须安装在电感器的两侧，因此将他们集成在一块芯片上很困难。电流检测降低功耗（减少热量）的同时，也会降低的精度，因为这取决于分流电阻。虽然现今的技术可实现高精度电流传感器，但却无法降低损耗。东芝的新技术采用级联共源共栅，将低压MOSFET与GaN场效应晶体管相连用于电流传感，因此无需使用分流电阻，避免其产生功耗。此外，电路优化和尖端校准技术可保证10 MHz以上的带宽，可提高产品性能及测量精度。集成到半桥模块的这款新型IC不仅提高了开关频率，还缩小了电容器和电感器的尺寸有助于电子设备的小型化。

另外，就GaN器件技术而言，东芝的新型GaN共源共栅器件与传统的共源共栅器件有较大的不同，由于共源共棚型依靠硅MOSFET来驱动GaN HEMT，因此通常很难通过外部栅极电阻控制其开关速度。然而，东芝通过推出具有直接栅极驱动的器件解决了这一问题，驱动IC可直接驱动GaN HEMT，可像硅功率器件一样，改变其开关速度，进而有助于简化功率电子系统的总体设计。这种新型共源共栅器件的另一个优点是，由于GaN HEMT栅极是独立控制的，因此新器件不会因外部电压波动引起的硅MOSFET电压变化而导致误导通，从而有助于系统稳定运行。所以该新器件具有电源应用所需的可靠性，该产品实现了稳定的运行并简化了系统设计，能够有效降低因误导通而造成开关期间产生额外能量损失的风险，并可像硅一样，轻松调节开关速度，这是电力电子系统设计中需考虑的重要因素。